全液压漂浮式海浪发电装置流固耦合分析

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随着经济的发展,人类对能源的需求也不断增加。传统不可再生能源的日益消耗,不仅引发了多次能源危机,还带来了一系列的环境问题,而开发和利用可再生能源,不仅能有效缓解能源危机,优化能源结构,更能对环境保护起到重大作用,目前很多国家都致力于可再生能源的开发和利用。海洋能是绿色无污染的可再生能源,不仅能源种类多样,而且储量丰富,是目前很多国家都在重点开发一种新能源。海浪能作为海洋能中分布最广,最不受地域限制的一种能量,已经被广泛开发进行发电,但海浪能很不稳定,且海洋环境复杂多变,如何利用海浪持久高效的发电以及发电装置在海洋环境中的生存等问题仍然有待改善。全液压漂浮式海浪发电装置主要利用浮体来吸收海浪的能量,并通过与其相连的液压缸将能量传递到液压系统,以此来驱动液压马达旋转并带动发电机工作,最终实现发电。浮体作为全液压漂浮式海浪发电装置的能量吸收装置,它在海浪作用下的运动规律将直接影响发电的效率,而发电装置的立柱在海浪作用下的受力情况也同样值得关注,本文针对发电装置的浮体和立柱进行以下几个方面的研究:首先,简要介绍了全液压漂浮式海浪发电装置的工作原理以及发电装置施放海域的海况,并对相关的波浪理论进行了概述。在波浪理论的基础上,利用Fluent软件建立三维数值水槽,并通过在流体控制方程中添加源项的方法使数值水槽具有造波和消波的功能,为了验证数值水槽的造波效果,分别模拟了线性波和二阶斯托克斯波,根据波浪模拟结果显示,数值水槽造波和消波效果良好。其次,分析了浮体所在流场速度势的组成以及浮体在流场中的受力情况,并根据刚体运动理论和牛顿第二定律建立全液压漂浮式海浪发电装置浮体的运动方程,在Fluent软件中利用三维数值水槽技术和动网格技术,将浮体的运动方程与粘性流体的控制方程进行耦合,分别分析了浮体在波浪环境中有负载和无负载时的运动规律及受力情况,获得了浮体的运动速度-时间曲线图、位移-时间曲线图、受力-时间曲线图,由于浮体直接连接液压缸,所以全液压漂浮式海浪发电装置的发电效率正比于浮体的运动速度,由此可以得到发电装置的发电功率变化图。最后,对全液压漂浮式海浪发电装置的立柱进行流固耦合分析。利用Ansys Workbench软件分别对立柱进行单向和双向的流固耦合分析,得到发电装置附近流场的变化规律,以及立柱在在波浪环境中的形变和所受载荷的变化情况,为进一步优化设计提供理论依据。
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